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Una fuente de corriente es un circuito electrónico que suministra o absorbe una corriente eléctrica que es independiente del voltaje que pasa por él.
Una fuente de corriente es el dual de una fuente de voltaje . El término sumidero de corriente se utiliza a veces para las fuentes alimentadas desde una fuente de voltaje negativo. La figura 1 muestra el símbolo esquemático de una fuente de corriente ideal que impulsa una carga resistiva . Hay dos tipos. Una fuente de corriente independiente (o sumidero) suministra una corriente constante. Una fuente de corriente dependiente suministra una corriente que es proporcional a algún otro voltaje o corriente en el circuito.
Una fuente de corriente ideal genera una corriente que es independiente de los cambios de voltaje a través de ella. Una fuente de corriente ideal es un modelo matemático al que los dispositivos reales pueden aproximarse mucho. Si la corriente a través de una fuente de corriente ideal se puede especificar independientemente de cualquier otra variable en un circuito, se denomina fuente de corriente independiente . Por el contrario, si la corriente a través de una fuente de corriente ideal está determinada por algún otro voltaje o corriente en un circuito, se denomina fuente de corriente dependiente o controlada . Los símbolos para estas fuentes se muestran en la Figura 2.
La resistencia interna de una fuente de corriente ideal es infinita. Una fuente de corriente independiente con corriente cero es idéntica a un circuito abierto ideal . El voltaje a través de una fuente de corriente ideal está completamente determinado por el circuito al que está conectada. Cuando se conecta a un cortocircuito , hay voltaje cero y, por lo tanto, se entrega potencia cero . Cuando se conecta a una resistencia de carga , la fuente de corriente administra el voltaje de tal manera que mantiene la corriente constante; por lo tanto, en una fuente de corriente ideal, el voltaje a través de la fuente se acerca al infinito a medida que la resistencia de carga se acerca al infinito (un circuito abierto).
Ninguna fuente de corriente física es ideal. Por ejemplo, ninguna fuente de corriente física puede funcionar cuando se aplica a un circuito abierto. Hay dos características que definen una fuente de corriente en la vida real. Una es su resistencia interna y la otra es su voltaje de cumplimiento . El voltaje de cumplimiento es el voltaje máximo que la fuente de corriente puede suministrar a una carga. En un rango de carga determinado, es posible que algunos tipos de fuentes de corriente reales presenten una resistencia interna casi infinita. Sin embargo, cuando la fuente de corriente alcanza su voltaje de cumplimiento, deja de ser una fuente de corriente abruptamente.
En el análisis de circuitos, una fuente de corriente con una resistencia interna finita se modela colocando el valor de esa resistencia a lo largo de una fuente de corriente ideal (el circuito equivalente de Norton). Sin embargo, este modelo solo es útil cuando una fuente de corriente funciona dentro de su voltaje de cumplimiento.
La fuente de corriente no ideal más simple consiste en una fuente de voltaje en serie con una resistencia. La cantidad de corriente disponible de dicha fuente está dada por la relación entre el voltaje a través de la fuente de voltaje y la resistencia de la resistencia ( ley de Ohm ; I = V / R ). Este valor de corriente solo se entregará a una carga con caída de voltaje cero a través de sus terminales (un cortocircuito, un capacitor descargado, un inductor cargado, un circuito de tierra virtual, etc.). La corriente entregada a una carga con voltaje distinto de cero (caída) a través de sus terminales (una resistencia lineal o no lineal con una resistencia finita, un capacitor cargado, un inductor descargado, una fuente de voltaje, etc.) siempre será diferente. Está dada por la relación entre la caída de voltaje a través de la resistencia (la diferencia entre el voltaje de excitación y el voltaje a través de la carga) y su resistencia.
Para una fuente de corriente casi ideal, el valor de la resistencia debe ser muy grande, pero esto implica que, para una corriente específica, la fuente de voltaje debe ser muy grande (en el límite, cuando la resistencia y el voltaje tienden al infinito, la fuente de corriente se volverá ideal y la corriente no dependerá en absoluto del voltaje a través de la carga). Por lo tanto, la eficiencia es baja (debido a la pérdida de potencia en la resistencia) y, por lo general, no es práctico construir una fuente de corriente "buena" de esta manera. No obstante, a menudo ocurre que un circuito de este tipo proporcionará un rendimiento adecuado cuando la corriente especificada y la resistencia de carga son pequeñas. Por ejemplo, una fuente de voltaje de 5 V en serie con una resistencia de 4,7 kΩ proporcionará una corriente aproximadamente constante de 1 mA ± 5 % a una resistencia de carga en el rango de 50 a 450 Ω.
Un generador de Van de Graaff es un ejemplo de una fuente de corriente de alto voltaje. Se comporta como una fuente de corriente casi constante debido a su voltaje de salida muy alto junto con su resistencia de salida muy alta y, por lo tanto, suministra los mismos pocos microamperios a cualquier voltaje de salida hasta cientos de miles de voltios (o incluso decenas de megavoltios ) para versiones de laboratorio de gran tamaño.
En estos circuitos la corriente de salida no es monitorizada ni controlada por medio de retroalimentación negativa .
Se implementan mediante componentes electrónicos activos (transistores) que tienen una característica de salida no lineal estable en términos de corriente cuando se activan con una cantidad de entrada constante (corriente o voltaje). Estos circuitos se comportan como resistencias dinámicas que cambian su resistencia actual para compensar las variaciones de corriente. Por ejemplo, si la carga aumenta su resistencia, el transistor disminuye su resistencia de salida actual (y viceversa ) para mantener una resistencia total constante en el circuito.
Las fuentes de corriente activa tienen muchas aplicaciones importantes en los circuitos electrónicos . A menudo se utilizan en lugar de resistencias óhmicas en circuitos integrados analógicos (por ejemplo, un amplificador diferencial ) para generar una corriente que depende ligeramente del voltaje a través de la carga.
La configuración de emisor común accionada por una corriente o voltaje de entrada constante y la fuente común ( cátodo común ) accionada por un voltaje constante se comportan naturalmente como fuentes de corriente (o sumideros) porque la impedancia de salida de estos dispositivos es naturalmente alta. La parte de salida del espejo de corriente simple es un ejemplo de una fuente de corriente de este tipo que se usa ampliamente en circuitos integrados . Las configuraciones de base común , compuerta común y rejilla común también pueden servir como fuentes de corriente constante.
Se puede hacer que un JFET actúe como fuente de corriente conectando su compuerta a su fuente. La corriente que fluye entonces es el I DSS del FET. Estos se pueden comprar con esta conexión ya realizada y en este caso los dispositivos se denominan diodos reguladores de corriente o diodos de corriente constante o diodos limitadores de corriente (CLD). Alternativamente, se podría utilizar un MOSFET de canal N (transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor) en modo de mejora en lugar de un JFET en los circuitos que se enumeran a continuación para una funcionalidad similar.
Un ejemplo: fuente de corriente bootstrap . [1]
La fuente de corriente pasiva con resistencia simple es ideal solo cuando el voltaje a través de ella es cero; por lo tanto, se podría considerar la compensación de voltaje mediante la aplicación de retroalimentación negativa en paralelo para mejorar la fuente. Los amplificadores operacionales con retroalimentación funcionan de manera efectiva para minimizar el voltaje a través de sus entradas. Esto da como resultado que la entrada inversora se convierta en una tierra virtual , con la corriente circulando a través de la retroalimentación, o carga, y la fuente de corriente pasiva. La fuente de voltaje de entrada, la resistencia y el amplificador operacional constituyen una fuente de corriente "ideal" con valor I OUT = V IN / R . El amplificador de transimpedancia y un amplificador inversor de amplificador operacional son implementaciones típicas de esta idea.
La carga flotante es una desventaja seria de esta solución de circuito.
Un ejemplo típico son la fuente de corriente Howland [2] y su integrador Deboo derivado. [3] En el último ejemplo (Fig. 1), la fuente de corriente Howland consta de una fuente de voltaje de entrada, V IN , una resistencia positiva, R , una carga (el capacitor, C, actuando como impedancia Z ) y un convertidor de impedancia negativa INIC ( R 1 = R 2 = R 3 = R y el amplificador operacional). La fuente de voltaje de entrada y la resistencia R constituyen una fuente de corriente imperfecta que pasa corriente, I R a través de la carga (Fig. 3 en la fuente). El INIC actúa como una segunda fuente de corriente que pasa corriente "auxiliar", I −R , a través de la carga. Como resultado, la corriente total que fluye a través de la carga es constante y la impedancia del circuito vista por la fuente de entrada aumenta. Sin embargo, la fuente de corriente Howland no se usa ampliamente porque requiere que las cuatro resistencias coincidan perfectamente, y su impedancia cae a altas frecuencias. [4]
La carga conectada a tierra es una ventaja de esta solución de circuito.
Se implementan como un seguidor de voltaje con retroalimentación negativa en serie impulsado por una fuente de voltaje de entrada constante (es decir, un estabilizador de voltaje de retroalimentación negativa ). El seguidor de voltaje se carga mediante una resistencia constante (de detección de corriente) que actúa como un convertidor de corriente a voltaje simple conectado en el bucle de retroalimentación. La carga externa de esta fuente de corriente está conectada en algún lugar en el camino de la corriente que suministra la resistencia de detección de corriente, pero fuera del bucle de retroalimentación.
El seguidor de voltaje ajusta su corriente de salida I OUT que fluye a través de la carga de modo que la caída de voltaje V R = I OUT R a través de la resistencia de detección de corriente R sea igual al voltaje de entrada constante V IN . De esta manera, el estabilizador de voltaje mantiene una caída de voltaje constante a través de una resistencia constante; por lo tanto, una corriente constante I OUT = V R / R = V IN / R fluye a través de la resistencia y, respectivamente, a través de la carga.
Si el voltaje de entrada varía, este dispositivo actuará como un convertidor de voltaje a corriente (fuente de corriente controlada por voltaje, VCCS); puede considerarse como un convertidor de corriente a voltaje inverso (por medio de retroalimentación negativa). La resistencia R determina la relación de transferencia ( transconductancia ).
Las fuentes de corriente implementadas como circuitos con retroalimentación negativa en serie tienen la desventaja de que la caída de voltaje a través de la resistencia de detección de corriente disminuye el voltaje máximo a través de la carga (el voltaje de cumplimiento ).
La fuente o sumidero de corriente constante más simple está formada por un componente: un JFET con su compuerta conectada a su fuente. Una vez que el voltaje entre el drenador y la fuente alcanza un cierto valor mínimo, el JFET entra en saturación, donde la corriente es aproximadamente constante. Esta configuración se conoce como diodo de corriente constante , ya que se comporta de manera muy similar a un diodo dual de voltaje constante ( diodo Zener ) utilizado en fuentes de voltaje simples.
Debido a la gran variabilidad en la corriente de saturación de los JFET, es común incluir también una resistencia de fuente (que se muestra en la imagen adyacente) que permite ajustar la corriente a un valor deseado.
En esta implementación de transistor de unión bipolar (BJT) (Figura 4) de la idea general anterior, un estabilizador de voltaje Zener (R1 y DZ1) impulsa un seguidor de emisor (Q1) cargado por una resistencia de emisor constante (R2) que detecta la corriente de carga. La carga externa (flotante) de esta fuente de corriente está conectada al colector de modo que fluye casi la misma corriente a través de ella y la resistencia de emisor (pueden considerarse como conectados en serie). El transistor, Q1, ajusta la corriente de salida (colector) de modo de mantener la caída de voltaje a través de la resistencia de emisor constante, R2, casi igual a la caída de voltaje relativamente constante a través del diodo Zener, DZ1. Como resultado, la corriente de salida es casi constante incluso si la resistencia de carga y/o el voltaje varían. El funcionamiento del circuito se considera en detalle a continuación.
Un diodo Zener , cuando está polarizado en sentido inverso (como se muestra en el circuito), tiene una caída de tensión constante a través de él independientemente de la corriente que fluya a través de él. Por lo tanto, siempre que la corriente Zener ( I Z ) esté por encima de un cierto nivel (llamado corriente de mantenimiento), la tensión a través del diodo Zener ( V Z ) será constante. La resistencia, R1, suministra la corriente Zener y la corriente de base ( I B ) del transistor NPN (Q1). La tensión Zener constante se aplica a través de la base de Q1 y la resistencia de emisor, R2.
El voltaje a través de R 2 ( V R2 ) está dado por V Z − V BE , donde V BE es la caída de base-emisor de Q1. La corriente del emisor de Q1, que también es la corriente a través de R2, está dada por
Como V Z es constante y V BE también es (aproximadamente) constante para una temperatura dada, se deduce que V R2 es constante y, por lo tanto , I E también es constante. Debido a la acción del transistor , la corriente del emisor, I E , es casi igual a la corriente del colector, I C , del transistor (que a su vez, es la corriente a través de la carga). Por lo tanto, la corriente de carga es constante (despreciando la resistencia de salida del transistor debido al efecto Early ) y el circuito funciona como una fuente de corriente constante. Mientras la temperatura permanezca constante (o no varíe mucho), la corriente de carga será independiente del voltaje de suministro, R1 y la ganancia del transistor. R2 permite que la corriente de carga se establezca en cualquier valor deseado y se calcula mediante
donde V BE es típicamente 0,65 V para un dispositivo de silicio. [5]
( I R2 es también la corriente del emisor y se supone que es la misma que la corriente del colector o la corriente de carga requerida, siempre que h FE sea suficientemente grande). La resistencia R 1 se calcula como
donde K = 1,2 a 2 (de modo que R R1 sea lo suficientemente bajo para garantizar una I B adecuada ),
y h FE,min es la ganancia de corriente mínima aceptable para el tipo de transistor particular que se utiliza.
El diodo Zener se puede reemplazar por cualquier otro diodo; por ejemplo, un diodo emisor de luz LED1 como se muestra en la Figura 5. La caída de voltaje del LED ( V D ) ahora se utiliza para derivar el voltaje constante y también tiene la ventaja adicional de rastrear (compensar) los cambios de V BE debido a la temperatura. R 2 se calcula como
y R 1 como
Los cambios de temperatura cambiarán la corriente de salida entregada por el circuito de la Figura 4 porque V BE es sensible a la temperatura. La dependencia de la temperatura se puede compensar utilizando el circuito de la Figura 6 que incluye un diodo estándar, D, (del mismo material semiconductor que el transistor) en serie con el diodo Zener como se muestra en la imagen de la izquierda. La caída de diodo ( V D ) sigue los cambios de V BE debido a la temperatura y, por lo tanto, contrarresta significativamente la dependencia de la temperatura del CCS.
La resistencia R2 ahora se calcula como
Dado que VD = VBE = 0,65 V , [6]
(En la práctica, V D nunca es exactamente igual a V BE y por lo tanto solo suprime el cambio en V BE en lugar de anularlo).
R 1 se calcula como
(La caída de tensión directa del diodo compensador, V D , aparece en la ecuación y normalmente es 0,65 V para dispositivos de silicio. [6] )
Tenga en cuenta que esto solo funciona bien si DZ1 es un diodo de referencia u otra fuente de voltaje estable. Junto con los diodos Zener "normales", especialmente con voltajes Zener más bajos (<5 V), el diodo podría incluso empeorar la dependencia general de la temperatura.
La retroalimentación negativa en serie también se utiliza en el espejo de corriente de dos transistores con degeneración del emisor . La retroalimentación negativa es una característica básica en algunos espejos de corriente que utilizan varios transistores, como la fuente de corriente de Widlar y la fuente de corriente de Wilson .
Una limitación de los circuitos de las figuras 5 y 6 es que la compensación térmica es imperfecta. En los transistores bipolares, a medida que aumenta la temperatura de la unión, la caída de Vbe (caída de voltaje de la base al emisor) disminuye. En los dos circuitos anteriores, una disminución de Vbe provocará un aumento en el voltaje a través de la resistencia del emisor, lo que a su vez provocará un aumento en la corriente del colector extraída a través de la carga. El resultado final es que la cantidad de corriente "constante" suministrada depende al menos en cierta medida de la temperatura. Este efecto se mitiga en gran medida, pero no por completo, por las caídas de voltaje correspondientes para el diodo, D1, en la figura 6, y el LED, LED1, en la figura 5. Si la disipación de potencia en el dispositivo activo del CCS no es pequeña y/o se utiliza una degeneración del emisor insuficiente, esto puede convertirse en un problema no trivial.
Imaginemos en la Figura 5 que, al encenderse, el LED tiene 1 V en su extremo que activa la base del transistor. A temperatura ambiente, hay una caída de tensión de aproximadamente 0,6 V en la unión V be y, por lo tanto, 0,4 V en la resistencia del emisor, lo que da una corriente de colector (carga) aproximada de 0,4/R e amperios. Ahora imaginemos que la disipación de potencia en el transistor hace que se caliente. Esto hace que la caída de tensión V be (que era de 0,6 V a temperatura ambiente) baje a, digamos, 0,2 V. Ahora, el voltaje en la resistencia del emisor es de 0,8 V, el doble de lo que era antes del calentamiento. Esto significa que la corriente de colector (carga) es ahora el doble del valor de diseño. Este es un ejemplo extremo, por supuesto, pero sirve para ilustrar el problema.
El circuito de la izquierda supera el problema térmico (ver también, limitación de corriente ). Para ver cómo funciona el circuito, supongamos que el voltaje acaba de aplicarse en V+. La corriente pasa por R1 hasta la base de Q1, encendiéndolo y haciendo que la corriente comience a fluir a través de la carga hacia el colector de Q1. Esta misma corriente de carga luego fluye desde el emisor de Q1 y, en consecuencia, a través de R sense hasta tierra. Cuando esta corriente a través de R sense hasta tierra es suficiente para causar una caída de voltaje que es igual a la caída de V be de Q2, Q2 comienza a encenderse. Cuando Q2 se enciende, atrae más corriente a través de su resistencia de colector, R1, que desvía parte de la corriente inyectada en la base de Q1, lo que hace que Q1 conduzca menos corriente a través de la carga. Esto crea un bucle de retroalimentación negativa dentro del circuito, que mantiene el voltaje en el emisor de Q1 casi exactamente igual a la caída de V be de Q2. Dado que Q2 disipa muy poca energía en comparación con Q1 (ya que toda la corriente de carga pasa por Q1, no por Q2), Q2 no se calentará en una cantidad significativa y el voltaje de referencia (ajuste de corriente) a través de R se mantendrá estable en ≈0,6 V, o una caída de voltaje de un diodo por encima del suelo, independientemente de los cambios térmicos en la caída de voltaje de Q1. El circuito sigue siendo sensible a los cambios en la temperatura ambiente en la que funciona el dispositivo, ya que la caída de voltaje de BE en Q2 varía ligeramente con la temperatura.
La fuente de corriente de transistor simple de la Figura 4 se puede mejorar insertando la unión base-emisor del transistor en el bucle de retroalimentación de un amplificador operacional (Figura 7). Ahora el amplificador operacional aumenta su voltaje de salida para compensar la caída de VBE . El circuito es en realidad un amplificador no inversor amortiguado accionado por un voltaje de entrada constante. Mantiene este voltaje constante a través de la resistencia de detección constante. Como resultado, la corriente que fluye a través de la carga también es constante; es exactamente el voltaje Zener dividido por la resistencia de detección. La carga se puede conectar en el emisor (Figura 7) o en el colector (Figura 4), pero en ambos casos es flotante como en todos los circuitos anteriores. El transistor no es necesario si la corriente requerida no excede la capacidad de generación del amplificador operacional. El artículo sobre espejos de corriente analiza otro ejemplo de estos llamados espejos de corriente con ganancia aumentada .
La disposición general de retroalimentación negativa se puede implementar mediante un regulador de voltaje de circuito integrado ( regulador de voltaje LM317 en la Figura 8). Al igual que con el seguidor de emisor desnudo y el seguidor de amplificador operacional preciso anteriores, mantiene una caída de voltaje constante (1,25 V) a través de una resistencia constante (1,25 Ω); por lo tanto, una corriente constante (1 A) fluye a través de la resistencia y la carga. El LED se enciende cuando el voltaje a través de la carga supera los 1,8 V (el circuito indicador introduce algún error). La carga conectada a tierra es una ventaja importante de esta solución.
Los tubos de vidrio llenos de nitrógeno con dos electrodos y una cantidad calibrada de Becquerel (desintegraciones por segundo) de 226 Ra ofrecen una cantidad constante de portadores de carga por segundo para la conducción, lo que determina la corriente máxima que el tubo puede pasar en un rango de voltaje de 25 a 500 V. [7]
La mayoría de las fuentes de energía eléctrica ( red eléctrica , baterías , etc.) se modelan mejor como fuentes de voltaje ; sin embargo, algunas (en particular, las células solares ) se modelan mejor utilizando fuentes de corriente. A veces es más fácil ver una fuente de corriente como una fuente de voltaje y viceversa (ver la conversión en la Figura 9) utilizando los teoremas de Norton y Thévenin .
Las fuentes de voltaje proporcionan un voltaje de salida casi constante siempre que la corriente extraída de la fuente esté dentro de las capacidades de la fuente. Una fuente de voltaje ideal cargada por un circuito abierto (es decir, una impedancia infinita ) no proporcionará corriente (y, por lo tanto, ninguna potencia). Pero cuando la resistencia de carga se acerca a cero (un cortocircuito ), la corriente (y, por lo tanto, la potencia) se acercan al infinito. Un dispositivo teórico de este tipo tiene una impedancia de salida de cero ohmios en serie con la fuente. Las fuentes de voltaje del mundo real, en cambio, tienen una impedancia de salida distinta de cero , que es preferiblemente muy baja (a menudo mucho menor que 1 ohmio).
Por el contrario, una fuente de corriente proporciona una corriente constante, siempre que la impedancia de la carga sea lo suficientemente inferior a la impedancia paralela de la fuente de corriente (que es preferiblemente muy alta e idealmente infinita). En el caso de las fuentes de corriente de transistores, las impedancias típicas son de unos pocos megaohmios (a bajas frecuencias). Debido a que la potencia es la corriente al cuadrado por la resistencia, cuando una resistencia de carga conectada a una fuente de corriente se acerca a cero (un cortocircuito), tanto la corriente como, por lo tanto, la potencia se acercan a cero.
Las fuentes de corriente ideales no existen. Si se conectara hipotéticamente una de ellas a un circuito abierto ideal , se crearía la paradoja de que una corriente constante distinta de cero (de la fuente de corriente) pasaría por un elemento con una corriente definida de cero (el circuito abierto). A medida que la resistencia de carga de una fuente de corriente ideal se acerca al infinito (un circuito abierto), el voltaje a través de la carga se acercaría al infinito (porque el voltaje es igual a la corriente multiplicada por la resistencia ) y, por lo tanto, la potencia consumida también se acercaría al infinito. La corriente de una fuente de corriente real conectada a un circuito abierto fluiría, en cambio, a través de la impedancia paralela interna de la fuente de corriente (y se desperdiciaría en forma de calor).
De manera similar, no existen fuentes de voltaje ideales . Si se conectara hipotéticamente una de ellas a un cortocircuito ideal , se produciría una paradoja similar: un voltaje finito distinto de cero a través de un elemento con un voltaje definido cero (el cortocircuito).
Así como las fuentes de voltaje no deben conectarse en paralelo a otra fuente de voltaje con voltajes diferentes, una fuente de corriente tampoco debe conectarse en serie a otra fuente de corriente. Tenga en cuenta que algunos circuitos utilizan elementos que son similares pero no idénticos a las fuentes de voltaje o corriente y pueden funcionar cuando se conectan de maneras que no están permitidas para las fuentes de voltaje o corriente reales. Además, al igual que las fuentes de voltaje pueden conectarse en serie para sumar sus voltajes, las fuentes de corriente pueden conectarse en paralelo para sumar sus corrientes.
Como la carga de un capacitor es igual a la integral de la corriente con respecto al tiempo , una fuente de corriente constante ideal carga un capacitor linealmente con el tiempo, independientemente de cualquier resistencia en serie. El convertidor analógico a digital Wilkinson , por ejemplo, utiliza este comportamiento lineal para medir un voltaje desconocido midiendo la cantidad de tiempo que tarda una fuente de corriente en cargar un capacitor a ese voltaje. En cambio, una fuente de voltaje carga un capacitor a través de una resistencia de manera no lineal con el tiempo , porque la corriente de carga de la fuente de voltaje disminuye exponencialmente con el tiempo.
